Evaluation of degradation and reliability of photovoltaic modules based on the environmental parameters - Impact of dust on the electrical characteristics performance.
Étude de la dégradation et de la fiabilité des modules photovoltaïques - Impact de la poussière sur les caractéristiques électriques de performance
Résumé
This thesis is a contribution to the mastery of the PV modules behaviour during their life cycle. On the one hand, it deals with the degradation and reliability of modules and on the other hand with the impact of dust deposits on the electrical characteristics performance.
To better understand the thematic, we found it useful to conduct a detailed review of the literature on a subject still less invested. It was found that the corrosion (19%), discoloration (12%) and delamination (42%) are the main modes of PV modules degradation.
Our study is mainly circumscribed in the Sahel region for which we have not identified works on this issue.
Thus, to carry out our work, an experimental platform was established in order to have a database relating to environmental conditions of real functioning and electrical performance parameters of PV modules.
The exploitation of this database was used to determine the dominant operating conditions of modules to assess their degradation after a few years of operation and estimate their reliability in such an environmental context.
The modules for 50% of the year operate between 30°C and 65°C. For moisture, they are between 65% and 98% for 60% of the year. They are exposed to UV radiation between 10W.m-2 and 40W.m-2 for 40% of their annual exposure.
The study of PV modules degradation has focused on the electrical performance characteristics namely short circuit current, open circuit voltage, fill factor, maximum power, maximum current and maximum voltage but also on the characteristics of current-voltage (IV) and power-voltage (PV). Two approaches to the evaluation of PV module degradation are proposed. The first, EMDS (Evaluation of module degradation by Standardization) is based on the standardization of measurements in real conditions. The second approach, EMDA (Evaluation of PV Modules degradation by Analyzer) uses the PV module analyzer IV-400. This study showed that the modules studied that have worked between one year and a half and five years have 3.65% average annual power degradation with a net change from one module to another and from one technology to another.
The impact of dust deposits on the characteristics of PV module performance is highlighted via a dedicated experimental study. It showed a degradation of the maximum power of 70% observed on modules after a year of exposure without cleaning. Then, the correlation between PV modules performance variation and the density of dust deposits on modules surface has been studied. For that, a dust density measurement method on modules is proposed.
Finally, a methodology and tool based on accelerated tests in order to estimate the reliability and the lifetime of modules are proposed. This tool, PVMRE (PV Modules Reliability Estimator) is developed under the Scilab environment. It showed that the reliability and lifetime of the modules are more sensitive to the module temperature than to the relative humidity. When module temperature increases by 10°C, the lifetime decreases by a factor 3 about. A variation of the relative humidity of 10% induces in a reduction of one average year of the modules lifetime.
Cette thèse constitue une contribution à la maîtrise du comportement des performances des modules photovoltaïques durant leur cycle de vie. D’une part, elle traite de la dégradation et de la fiabilité des modules et d’autre part, l’impact des dépôts de poussière sur les caractéristiques électriques de performances.
Pour mieux cerner la thématique, nous avons jugé utile de procéder à une étude bibliographique détaillée sur un sujet encore peu investi. Celle-ci a permis d’établir que la corrosion (19%), la décoloration (12%) et la délamination (42%) constituent les principaux modes de dégradation des modules PV.
Notre étude est essentiellement circonscrite en zone sahélienne pour laquelle nous n’avons pas recensé de travaux relatifs à cette problématique.
Ainsi, pour mener nos travaux, une plateforme expérimentale a été mise en place afin de disposer d’une base de données relative aux conditions environnementales de fonctionnement réel et aux paramètres électriques de performances des modules PV.
L’exploitation de cette base de données a permis de déterminer les conditions dominantes de fonctionnement des modules, d’évaluer leur dégradation après quelques années de fonctionnement et d’estimer leur fiabilité dans un tel contexte environnemental.
Les modules fonctionnent pendant 50% de l’année entre 30°C et 65°C. Pour l’humidité, ils sont entre 65% et 98% pendant 60% de l’année. Ils sont exposés à une radiation UV comprise entre 10W.m-2 et 40W.m-2 pendant 40% de leur exposition annuelle.
L’étude de la dégradation des modules photovoltaïques a principalement porté sur les caractéristiques électriques de performance en l’occurrence le courant de court-circuit, la tension en circuit-ouvert, le facteur de forme, la puissance maximale, le courant et la tension maximal mais également sur les caractéristiques de transfert courant-tension (I-V) et puissance-tension (P-V). Deux approches pour l’évaluation de la dégradation des modules sont proposées. La première, EDMS (Evaluation de la Dégradation des Modules photovoltaïques par Standardisation) est basée sur la standardisation des mesures réalisées en conditions réelles. La deuxième approche, EDMA (Evaluation de la Dégradation des Modules photovoltaïques par Analyseur) utilise l’analyseur de modules photovoltaïques de type IV-400. Cette étude a montré que les modules étudiés ayant fonctionné entre un an et demi et cinq ans présentent une dégradation annuelle moyenne de la puissance de 3,65% avec une nette variation d’un module à un autre et d’une technologie à une autre.
L’impact des dépôts de la poussière sur les caractéristiques de performance des modules PV est mis en évidence via une étude expérimentale dédiée. Celle-ci a montré une dégradation de la puissance maximale de plus de 70% observée sur des modules après une année d’exposition sans nettoyage. Ensuite, la corrélation entre la variation des performances des modules PV et la densité des dépôts de poussière sur la surface extérieure des modules a été étudiée. Pour cela, une méthode de mesure de la densité de poussière déposée sur les modules est proposée.
Enfin, une méthodologie et un outil basé sur les essais accélérés et dédié à l’estimation de la fiabilité et la durée de vie des modules sont proposés. Cet outil, EFMPV (Estimateur de Fiabilité des Modules PV) est développé sous l’environnement Scilab. Il a montré que la fiabilité et la durée de vie des modules sont plus sensibles à la température du module qu’à l’humidité relative. Lorsque la température augmente de 10°C, la durée de vie diminue d’un facteur 3 environ. Une variation de l’humidité relative de 10%, induit une diminution d’une année en moyenne de la durée de vie des modules exposés sur notre zone d’étude.
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